本發(fā)明涉及一種用于制備硬質(zhì)合金刀具基體材料及其制備方法，還涉及帶有由該材料制備的導(dǎo)向塊的孔加工刀具，屬于金屬材料切屑加工刀具領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著機(jī)械工業(yè)的發(fā)展和市場對機(jī)械零件的多樣性需求，作為裝備制造技術(shù)中的一個重要分支，深孔加工技術(shù)面臨著多品種、小批量、新型材料及越來越高的精度要求的挑戰(zhàn)。

同時，深孔加工的特殊性也形成了加工過程中的難題：排屑難、冷卻及潤滑難、工具系統(tǒng)剛度低、刀具的自導(dǎo)向差。這些問題長期困擾著深孔加工的行業(yè)，極大地限制了深孔加工的工藝范圍、加工效率以及加工質(zhì)量，也限制了深孔加工技術(shù)向其他領(lǐng)域拓展的能力。特別是現(xiàn)有的深孔加工質(zhì)量難以滿足新產(chǎn)品的要求，成為制約整個機(jī)械加工技術(shù)發(fā)展的重大障礙。在制造行業(yè)中，幾乎過半行業(yè)都對深孔加工有著直接的需求，深孔質(zhì)量的好壞直接影響到機(jī)械產(chǎn)品的質(zhì)量，因此開展尋求提高深孔加工質(zhì)量的有效措施的研究已經(jīng)成為當(dāng)務(wù)之急。

而深孔加工刀具是影響深孔加工質(zhì)量好壞的重要因素之一，內(nèi)排屑深孔鉆是在封閉或半封閉的狀況下進(jìn)行的，導(dǎo)致切削熱不易傳散，工藝系統(tǒng)剛性差，鉆屑中產(chǎn)生切屑不斷或者排屑不暢，常常引起崩刃或扭斷鉆桿的事故，冷卻液進(jìn)不到切削區(qū)時，造成刀具溫度急劇上升，加速刀具的磨損。當(dāng)鉆孔的深度不斷增加后，刀具懸伸量增大，工藝系統(tǒng)的剛性也隨之降低。這些都對刀具材料提出了特別的要求。

導(dǎo)向塊為了深孔加工切削平穩(wěn)和加工偏移量小而配備，具有支撐、穩(wěn)定與擠壓作用，使得鉆頭具有了自導(dǎo)向的作用，是維持切削過程穩(wěn)定性、保證深孔直線度的重要部分。切削過程中受到正壓力、摩擦力，隨著切削溫度的升高，摩擦急劇引起磨料磨損、擴(kuò)散磨損和氧化磨損。這就要求刀具材料能夠在高溫的條件下保持良好的硬度以及耐磨性。

目前常用的導(dǎo)向塊材質(zhì)有：yt15、yg8，這些材料在使用過程中存在脆性變大或磨損過快，導(dǎo)致加工過程中孔精度及尺寸達(dá)不到要求，這急需要開發(fā)性能更好的材質(zhì)來滿足深孔加工刀具更高層次的要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種用于制備深孔加工刀具導(dǎo)向塊的硬質(zhì)合金材料，該材料具有高溫紅硬性好、耐磨性高的優(yōu)點(diǎn)。

因此，本發(fā)明一方面是提供一種硬質(zhì)合金材料，其特征在于，該材料的粘結(jié)相co含量5wt.％-15wt.％，四元固溶體(w，ti，ta，nb)c含量為12wt.％-25wt.％，其余為wc。

本發(fā)明另一方面是提供上述硬質(zhì)合金材料的制備方法，該方法包括以下步驟：

1)、將wc、四元固溶體(w，ti，ta，nb)c以及co混合；

2)、加入濕磨介質(zhì)和磨料，進(jìn)行球磨，然后摻蠟混合；

3)、干燥制粒，然后壓成刀片毛坯，經(jīng)燒結(jié)制得所述硬質(zhì)合金材料。

本發(fā)明還提供上述硬質(zhì)合金材料用于深孔加工刀具導(dǎo)向塊的用途，以及帶有由該材料制備的導(dǎo)向塊的孔加工刀具。

本發(fā)明所具有的有益效果包括：

本發(fā)明從化學(xué)成分上添加了大量(w，ti，ta，nb)c四元固溶體，充分發(fā)揮ti以及ta的優(yōu)良性能，提高合金的硬度；(w，ti，ta，nb)c也能改善合金的高溫性能，從而進(jìn)一步加強(qiáng)合金的耐磨性；其中的tic使得合金對碳的敏感降低，從而改善合金的燒結(jié)性能；本發(fā)明材質(zhì)硬度為92hra左右，強(qiáng)度為2000mpa以上，具有高的紅硬性和耐磨性。

附圖說明

圖1為帶有由本發(fā)明硬質(zhì)合金材料制備的導(dǎo)向塊的孔加工刀具的側(cè)視圖，該深孔鉆整體制作出刀體頭部和刀體柄部；

圖2為圖1的孔加工刀具的正視圖；

圖3為帶有由本發(fā)明硬質(zhì)合金材料制備的導(dǎo)向塊的孔加工刀具的側(cè)視圖，該深孔鉆在刀體柄部加工出定位臺和連接螺紋；

圖4為圖3的孔加工刀具的正視圖；

圖5為實(shí)施例1獲得的合金材料切削鎳基合金后的效果圖；

圖6為對比例獲得的合金材料切削鎳基合金后的效果圖；

圖7為實(shí)施例2獲得的合金材料切削不銹鋼后的效果圖；

圖8為對比例獲得的合金材料切削不銹鋼后的效果圖。

各附圖標(biāo)記如下：

1-刀體頭部

2-刀體柄部

3-刀片槽

31-刀片

4-導(dǎo)向塊槽

41-導(dǎo)向塊(刀片)

5-定位臺

6-定位臺

7-連接螺紋

具體實(shí)施方式

下面通過附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。通過這些說明，本發(fā)明的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)將變得更為清楚明確。

在這里專用的詞“示例性”意為“用作例子、實(shí)施例或說明性”。這里作為“示例性”所說明的任何實(shí)施例不必解釋為優(yōu)于或好于其它實(shí)施例。盡管在附圖中示出了實(shí)施例的各種方面，但是除非特別指出，不必按比例繪制附圖。

根據(jù)本發(fā)明第一方面，提供一種硬質(zhì)合金材料，其特征在于，該材料的粘結(jié)相co含量5wt.％-15wt.％，四元固溶體(w，ti，ta，nb)c含量為12wt.％-25wt.％，其余為wc。

根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施方式，該硬質(zhì)合金材料的粘結(jié)相co含量優(yōu)選為6wt.％-11wt.％，更優(yōu)選粘結(jié)相的含量為8wt.％-10wt.％；

該硬質(zhì)合金材料的四元固溶體(w，ti，ta，nb)c含量優(yōu)選為15wt.％-22wt.％，更優(yōu)選四元固溶體含量為18wt.％-21wt.％。

進(jìn)一步優(yōu)選地，所述四元固溶體中，wc/tic/tac/nbc重量比為4.5-5.5：3.5-4.5：7.5-8.5：2.5-3.5，優(yōu)選為4.8-5.2：3.8-4.2：7.8-8.2：2.8-3.2，更優(yōu)選wc/tic/tac/nbc重量比為5：4：8：3。

該硬質(zhì)合金材料除了上述粘結(jié)相co和四元固溶體外，其余為wc。

根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施方式，該硬質(zhì)合金材料中wc的粒徑為0.8-1.5um，更優(yōu)選為1-1.2um。

優(yōu)選地，四元固溶體的平均粒徑為wc平均粒徑的1.0-1.5倍，優(yōu)選所述固溶體的平均粒徑為wc平均粒徑的1.0-1.2倍。

根據(jù)本發(fā)明第二方面，提供上述硬質(zhì)合金材料的制備方法，該方法包括以下步驟：

步驟1、將wc、四元固溶體(w，ti，ta，nb)c以及co混合。

根據(jù)本發(fā)明，上述三種原料成分按配方配比進(jìn)行混合，其中，co含量5wt.％-15wt.％，優(yōu)選為6wt.％-11wt.％，更優(yōu)選為8wt.％-10wt.％，四元固溶體(w，ti，ta，nb)c含量為12wt.％-25wt.％，優(yōu)選為15wt.％-22wt.％，更優(yōu)選為18wt.％-21wt.％，其余為wc。

根據(jù)本發(fā)明，上述三種原料成分具有各自的平均粒徑，例如wc的平均粒徑為1-2um，(w，ti，ta，nb)c的平均粒徑為1.5-2.5um，co的平均粒徑為約1um。

步驟2、加入濕磨介質(zhì)和磨料，進(jìn)行球磨，然后摻蠟混合；

根據(jù)本發(fā)明，所述濕磨介質(zhì)優(yōu)選為己烷，其添加量為每公斤粉末添加250-350毫升，例如300毫升。

根據(jù)本發(fā)明，所述磨料優(yōu)選為球磨磨料，并且球料比為3-5：1，例如4：1，球磨時間為為2天至3天，例如64小時。

根據(jù)本發(fā)明，球磨之后摻蠟進(jìn)行混合，例如混合1.5至3小時，例如2小時。

步驟3、干燥制粒，然后壓成刀片毛坯，經(jīng)燒結(jié)制得所述硬質(zhì)合金材料。

根據(jù)本發(fā)明，在1400℃以上，例如1435℃溫度下，在2-10mpa，優(yōu)選3-5mpa的低壓下進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)時間1至2小時，例如1.5小時，最終制得本發(fā)明的硬質(zhì)合金材料。

根據(jù)本發(fā)明，上述硬質(zhì)合金材料可用于深孔加工刀具導(dǎo)向塊，由此獲得一種帶有由該材料制備的導(dǎo)向塊的孔加工刀具，所述孔加工刀具為三刃錯齒內(nèi)排屑深孔鉆，優(yōu)選為小直徑(例 如φ16～25mm)的深孔鉆。

如圖3所示，孔加工刀具(深孔鉆)包括刀體頭部1和刀體柄部2，所述刀體頭部1設(shè)置有雙排屑孔、三個刀片槽3和二個導(dǎo)向塊槽4，在導(dǎo)向塊槽4上安裝有由本發(fā)明硬質(zhì)合金材料制備的導(dǎo)向塊41，該深孔鉆還在刀體柄部2加工出定位臺5或6和連接螺紋7。上述刀體頭部1和刀體柄部2首先是整體制作而成的(如圖1所示)。

與大直徑內(nèi)排屑深孔鉆通過刀座式機(jī)夾可轉(zhuǎn)位結(jié)構(gòu)安裝刀片不同的是，本發(fā)明中，在三個刀片槽3上通過焊接方式安裝切削刀片31(如圖3所示)，這樣使得刀片更加牢固并且節(jié)省空間，此外，刀片的焊接方式需保證切削刀片在鉆頭半徑方向上能互相搭接。所述三個刀片可以按照較大直徑(例如φ50～72mm)深孔鉆頭上的刀齒來設(shè)計(jì)，例如可以設(shè)計(jì)為外齒，內(nèi)齒(中心齒)和中間齒，由于外齒、內(nèi)齒和中間齒不在同一錐面上，因此達(dá)到比較好的分屑效果。

本發(fā)明的刀體頭部1設(shè)置有雙排屑孔，當(dāng)高壓切削液由鉆桿外圓和孔壁間的縫隙注入時，切屑隨同切削液經(jīng)由該雙排屑孔通過鉆桿的中心孔排出。

通過本發(fā)明的雙排屑孔三刃錯齒結(jié)構(gòu)，大大減小了深孔鉆削時的徑向力和扭矩，同時減少了焊接應(yīng)力以及磨削應(yīng)力，從而有利于提高刀具切削性能以及鉆孔質(zhì)量。

本發(fā)明中，在二個導(dǎo)向塊槽4上通過焊接分別安裝有導(dǎo)向塊(或?qū)驂K刀片)41(如圖1和3所示)。導(dǎo)向塊是為了深孔加工切削平穩(wěn)和加工偏移量小而配備的，兩個導(dǎo)向塊和外齒副刃能夠三點(diǎn)定圓，從而自行導(dǎo)向進(jìn)行切削，因此具有支撐、穩(wěn)定與擠壓作用，使得鉆頭具有了自導(dǎo)向的作用，是維持切削過程穩(wěn)定性、保證深孔直線度的重要部分，還能有效防止孔發(fā)生偏斜， 保證鉆孔精度和光潔度。

本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，切削過程中導(dǎo)向塊(或?qū)驂K刀片)41受到正壓力、摩擦力，隨著切削溫度的升高，摩擦急劇引起磨料磨損、擴(kuò)散磨損和氧化磨損。這就要求刀具材料能夠在高溫的條件下保持良好的硬度以及耐磨性。但目前常用的導(dǎo)向塊材質(zhì)有：yt15、yg8，這些材料在使用過程中存在脆性變大或磨損過快，導(dǎo)致加工過程中孔精度及尺寸達(dá)不到要求。

為了開發(fā)性能更好的材質(zhì)以滿足深孔加工刀具更高層次的要求，所述導(dǎo)向塊(或?qū)驂K刀片)41采用本發(fā)明提供的上述硬質(zhì)合金材料，該材料具有高溫紅硬性好、耐磨性高的優(yōu)點(diǎn)。

根據(jù)本發(fā)明一種優(yōu)選的實(shí)施方式，將所述刀體頭部1與刀體柄部2整體制作而成(如圖1所示)，優(yōu)選通過精密鑄造工藝整體制作出帶排屑孔、刀片槽3、導(dǎo)向塊槽4等的刀體頭部1以及刀體柄部2。這種整體制作、一體成型的制造方法不但簡化了刀具制造工藝，還在以下方面表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢：

省去了分別制造刀體頭部與柄部后進(jìn)行焊接的工藝，從而節(jié)省了專用焊接設(shè)備的投資，并且有效消除了頭部與柄部焊接時的缺陷，易于保證頭部與柄部的同心度。

根據(jù)本發(fā)明，如圖3所示，所述刀體柄部2被加工出定位臺5或6和連接螺紋7，所述定位臺可以包括大小兩種定位臺5或6；所述連接螺紋7優(yōu)選為矩形連接螺紋，通過該矩形螺紋，本發(fā)明的雙排屑深孔鉆和鉆桿相連。

本發(fā)明的上述小直徑三刃錯齒內(nèi)排屑深孔鉆制備如下：

步驟1、制作出刀體頭部1和刀體柄部2；

步驟2、在刀體頭部1的刀片槽3上焊接刀片31，并在刀體頭部1的導(dǎo)向塊槽4上焊接導(dǎo)向塊(刀片)41；

步驟3、在刀體柄部2加工出定位臺5或6和連接螺紋7；

步驟4、加工出外圓幾何尺寸和幾何角度。

此外，還任選對刀片刃口進(jìn)行強(qiáng)化處理，以及對刀片進(jìn)行表面涂層處理，最終完成小直徑三刃錯齒內(nèi)排屑深孔鉆的制造。

根據(jù)本發(fā)明，所述刀體頭部1與刀體柄部2整體制作而成，優(yōu)選通過精密鑄造工藝整體制作出帶排屑孔、刀片槽3、導(dǎo)向塊槽4等的刀體頭部1以及刀體柄部2。

首先，如圖1和2所示，整體制作出刀體頭部1和刀體柄部2，刀體頭部1上設(shè)置有雙排屑孔(未示出)、刀片槽3和導(dǎo)向塊槽4；

然后，如圖3和4所示，在刀體頭部1的刀片槽3上焊接刀片31，并在導(dǎo)向塊槽4上焊接導(dǎo)向塊(刀片)41；接著，在刀體柄部2分別加工出定位臺5或6以及連接螺紋7；

最后，加工出外圓幾何尺寸和角度，以及任選進(jìn)行上述強(qiáng)化處理和涂層處理，從而制成小直徑三刃錯齒內(nèi)排屑深孔鉆。

本發(fā)明提供的硬質(zhì)合金材料以及帶有由其制得的導(dǎo)向塊的孔加工刀具(深孔鉆)整體上提高了刀具切削性能以及鉆孔質(zhì)量，其有益效果具體表現(xiàn)在以下幾個方面：

1、本發(fā)明從化學(xué)成分上添加了大量(w，ti，ta，nb)c四元固溶體，能夠充分發(fā)揮ti以及ta的優(yōu)良性能，提高合金的硬度；

2、(w，ti，ta，nb)c也能夠改善合金的高溫性能，從而進(jìn)一步加強(qiáng)合金的耐磨性；

3、其中的tic使得合金對碳的敏感降低，從而能夠改善合金的燒結(jié)性能；

4、本發(fā)明材質(zhì)硬度為92hra左右，強(qiáng)度為2000mpa以上，具有高的紅硬性和耐磨性；

5、另外，由該合金材料制備的切削刀具能夠保證切削刀片 在鉆頭半徑方向上互相搭接；防止孔發(fā)生偏斜，保證了鉆孔精度和光潔度；有效減小了深孔鉆削時的徑向力和扭矩，同時減少了焊接應(yīng)力以及磨削應(yīng)力；

6、尤其是省去了分別制造刀體頭部與柄部后進(jìn)行焊接的工藝，節(jié)省了專用焊接設(shè)備的投資；消除頭部與柄部焊接時的缺陷，易于保證頭部與柄部的同心度，簡化刀具制造工藝。

實(shí)施例

實(shí)施例1

用于深孔加工刀具導(dǎo)向塊硬質(zhì)合金材料，粘結(jié)相co含量10wt.％，四元固溶體(w，ti，ta，nb)c含量為20wt.％，其余為wc，硬質(zhì)合金中wc的粒徑為1.1um，固溶體平均粒徑為1.3um。

制備步驟如下：按照配方，將平均粒徑分別為1um的wc、1.5um的(w，ti，ta，nb)c、以及1um的co，按比例混合，以己烷為濕磨介質(zhì)，每公斤粉末加300毫升，球料比為4:1，球磨時間64h，參蠟混合2h，干燥制粒后壓成刀片毛坯，在溫度1435℃、3mpa低壓燒結(jié)1.5h，得到本實(shí)施例的材料基體。

經(jīng)檢測，制備出材料的硬度為92.1hra，強(qiáng)度為2400mpa。

實(shí)施例2

用于深孔加工刀具導(dǎo)向塊硬質(zhì)合金材料，粘結(jié)相co含量8wt.％，四元固溶體(w，ti，ta，nb)c含量為17wt.％，其余為wc，硬質(zhì)合金中wc的粒徑為1.3um，固溶體平均粒徑為1.5um。

制備步驟如下：按照配方，將平均粒徑分別為1.5um的wc、1.9um的(w，ti，ta，nb)c、以及1um的co，按比例混合， 以己烷為濕磨介質(zhì)，每公斤粉末加300毫升，球料比為4:1，球磨時間64h，參蠟混合2h，干燥制粒后壓成刀片毛坯，在溫度1435℃、3mpa低壓燒結(jié)1.5h，得到本實(shí)施例的材料基體。

經(jīng)檢測，制備出材料的硬度為91.9hra，強(qiáng)度為2100mpa。

對比例

一種現(xiàn)有技術(shù)的硬質(zhì)合金，其成分包括：8wt％co，92wt.％wc，按照比例配制成粉末，經(jīng)過球磨后壓制成刀片壓坯，在1435℃下低壓3mpa燒結(jié)1.5h得到本對比例硬質(zhì)合金基體。

實(shí)驗(yàn)例

以上實(shí)施例和對比例硬質(zhì)合金導(dǎo)向塊型號完全相同，均經(jīng)過研磨加工及表面處理后，利用pvd方法在其表面進(jìn)行tialn涂層處理，將涂層后的導(dǎo)向塊進(jìn)行切削實(shí)驗(yàn)對比硬質(zhì)合金基體材料的耐磨性。切削結(jié)果如下所示。

實(shí)驗(yàn)例1

將實(shí)施例1和對比例獲得的合金材料按以下條件對鎳基合金進(jìn)行切削對比：

圖5為實(shí)施例1獲得的合金材料對鎳基合金進(jìn)行切削后的效果圖，可見，導(dǎo)向塊正常磨損；圖6為對比例獲得的合金材料對鎳基合金進(jìn)行切削后的效果圖，可見，導(dǎo)向塊磨損嚴(yán)重。

實(shí)驗(yàn)例2

將實(shí)施例2和對比例獲得的合金材料按以下條件對不銹鋼進(jìn)行切削對比：

圖7為實(shí)施例2獲得的合金材料對不銹鋼進(jìn)行切削后的效果圖，可見，導(dǎo)向塊正常磨損；圖8為對比例獲得的合金材料對不銹鋼進(jìn)行切削后的效果圖，可見，導(dǎo)向塊磨損嚴(yán)重。

以上結(jié)合優(yōu)選實(shí)施方式和范例性實(shí)例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明。不過需要聲明的是，這些具體實(shí)施方式僅是對本發(fā)明的闡述性解釋，并不對本發(fā)明的保護(hù)范圍構(gòu)成任何限制。在不超出本發(fā)明精神和保護(hù)范圍的情況下，可以對本發(fā)明技術(shù)內(nèi)容及其實(shí)施方式進(jìn)行各種改進(jìn)、等價替換或修飾，這些均落入本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。本發(fā)明的保護(hù)范圍以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。